Technique de régulation pour pompes à chaleur

L’effet de différents algorithmes de régulation visant à optimiser la consommation propre a été étudié dans des immeubles d’appartements à Möriken-Wildegg. Les premiers résultats montrent que le taux de couverture solaire des pompes à chaleur peut être doublé grâce à un stockage ciblé de l’énergie.

Texte: David Zogg, professeur

■ D. Zogg, directeur de la société Smart Energy Engineering GmbH et professeur de technique de régulation à la Haute école spécialisée du Nord-Ouest de la Suisse.

Le site de Möriken-Wildegg sert à étudier de nouvelles méthodes de régulation permettant d’optimiser la consommation propre grâce à la commande ciblée de pompes à chaleur, d’appareils ménagers et de stations de recharge pour véhicules électriques. Une bourse de l’électricité, associée à un regroupement de consommation propre (RCP), fournit une incitation financière. Le projet est soutenu par l’Office fédéral de l’énergie (OFEN). Lors de la première période de mesures en 2020, le site avait fait l’objet d’une évaluation globale portant sur les aspects économiques et écologiques qui ont été documentés dans le rapport final 2 de l’OFEN. La deuxième période de mesures en cours, en 2021, porte sur l’étude ciblée de l’augmentation du taux de couverture solaire

grâce à différentes méthodes de régulation. Les bâtiments étant pratiquement identiques, ils peuvent donc être comparés dans des conditions réelles. Différents algorithmes ont été mis en œuvre dans les bâtiments pour augmenter l’autoconsommation, et se concentrent sur l’intégration des pompes à chaleur et des accumulateurs. Un bâtiment est exploité sans optimisation, un autre avec une régulation standard via une gestion de l’accumulation (tampon et eau chaude sanitaire) et un troisième avec une régulation intelligente qui utilise l’ensemble du bâtiment comme un accumulateur thermique (ce qu’on appelle la gestion thermique). Il s’agit d’examiner si le potentiel de doublement du taux de couverture

solaire, déjà pronostiqué dans les simulations précédentes 1, peut s’appliquer dans la pratique.

Bâtiments et installations sur place Le lotissement Minergie-P-Eco à MörikenWildegg AG comprend quatre bâtiments avec un total de 35 appartements. Les bâtiments ont été réalisés en construction bois/

mixte et des installations photovoltaïques d’une puissance totale de 160 kilowatts-crête ont été installées sur les toits et les façades. Les appartements ont été équipés de commandes d’ambiance KNX (illustration 2), reliées au gestionnaire central d’autoconsommation. Ce dernier influence de manière ciblée la valeur de consigne de la température ambiante afin de pouvoir stocker davantage d’énergie thermique dans le bâtiment. De plus, un voyant vert indique lorsque

■ Illustration 1: Lotissement de quatre immeubles à Möriken-Wildegg AG.

Photo: Setz Architektur AG

■ Illustration 2: Equipement des appartements en boîtiers d’ambiance KNX.

3 niveaux

MODBUS TCP

BWW

Réservoir d’eau chaude sanitaire Température de consigne

ISG

SP

Tampon Température de consigne Bâtiment Température de consigne

■ Illustration 3: Intégration des pompes à chaleur via Modbus.

de l’énergie solaire excédentaire est disponible (système d’incitation écologique). Parmi les innovations supplémentaires, une prise solaire a été installée, qui ne fournit de l’électricité qu’en cas d’excédent solaire, et le lave-vaisselle ainsi que le lave-linge peuvent être alimentés automatiquement par l’énergie solaire.

Technique de régulation Les pompes à chaleur de Stiebel-Eltron ont été intégrées de manière intelligente via le protocole Modbus (illustration 3). Le gestionnaire de consommation propre influence de manière variable les valeurs de

consigne du réservoir d’eau chaude sanitaire (BWW), du réservoir tampon (SP) et du bâtiment. De plus, le gestionnaire d’autoconsommation lit tous les états et les valeurs de température de la pompe à chaleur et les utilise pour l’optimisation. Grâce à un accès à distance, le système peut être facilement réglé et entretenu. L’optimisation se fait selon le régulateur de prix présenté dans le rapport final de l’OFEN de février 2016 1. Celui-ci se base sur deux

courbes de prix calculées en temps réel à partir des données (illustration 4). La courbe verte représente le prix de la demande, en fonction de la température ambiante moyenne dans le bâtiment. En bleu, le prix proposé en fonction du tarif et du taux de couverture solaire. La différence

entre la courbe verte et la courbe bleue permet de calculer une grandeur de réglage qui agit proportionnellement sur les valeurs de consigne de la pompe à chaleur. En cas de différence positive (vert > bleu), les valeurs de consigne sont augmentées, en cas de différence négative (vert < bleu), elles sont diminuées. L’avantage de ce critère de régulation réside dans le fait que la production locale, les besoins du bâtiment et la situation tarifaire sont simultanément pris en compte dans l’optimisation. Les prévisions météorologiques peuvent également être intégrées au prix de la demande, ce qui est un avantage pour un bâtiment inerte.

Mesures et évaluations

L’illustration 5 montre les facteurs d’augmentation du taux de couverture solaire sur

toute l’année pour le chauffage via la pompe à chaleur 3. On constate immédiatement que la régulation intelligente avec le bâtiment comme réservoir (vert) fournit des valeurs nettement plus élevées que la régulation standard avec gestion simple du réservoir (ocre). Au moment de la rédaction du rapport, les mois de janvier à mai ont déjà fait l’objet de mesures, les mois d’octobre à décembre sont encore des valeurs prévisionnelles (les

Prix (ct/kWh) Prix de la demande Prix de l’offre

■ Illustration 4: Courbes de prix variables sur une journée. Bleu = prix de l’offre, vert = prix de la demande.

Heure d’été Pas de chauffage

aucun ➞ bâtiment sert de stockage aucun ➞ augmentation de l’accumulateur

Influence du coefficient de performance PAC Chauffage

aucun ➞ bâtiment sert de stockage aucun ➞ augmentation de l’accumulateur

Pondérations (consommation PAC kWh)

■ Illustration 5: Facteurs d’augmentation du taux de couverture solaire sur l’ensemble de l’année 2021 par une régulation simple (ocre) et une régulation intelligente (vert).

résultats définitifs seront publiés dans le rapport final de l’OFEN au T1/2022). Sur l’ensemble de l’année, on s’attend à une augmentation du taux de couverture solaire d’un

facteur 2 avec le bâtiment comme réservoir.

Le coefficient de performance de la pompe à chaleur n’est réduit en aucun mois (vert). Contrairement à la régulation standard (ocre), il n’y a pas d’augmentation unilatérale de la température dans les accumulateurs et l’amplitude thermique est nettement plus faible grâce à la grande capacité thermique du bâtiment.

Conclusions

Grâce à une technique de régulation intelligente liée à une gestion thermique active du bâtiment, la masse d’accumulation thermique du bâtiment peut être utilisée de manière optimale. En augmentant et en diminuant légèrement et de manière ciblée les températures, il est possible d’utiliser sur toute l’année environ deux fois plus d’électricité solaire dans la pompe à chaleur que

Faits et chiffres

Equipe de projet: • David Zogg, Prof. Dr, Smart Energy

Engineering GmbH, david.zogg@ smart-energy-engineering.ch • D. Zimmerli, Setz Architektur AG • L. Körtvelyesi, RTB Regionale

Technische Betriebe

Donneur d’ordre: • D. Zogg, directeur de la société Smart

Energy Engineering GmbH et professeur de technique de régulation à la Haute école spécialisée du Nord-Ouest de la

Suisse. • Office fédéral de l’énergie (OFEN), projet pilote et de démonstration. dans le cas sans optimisation. Cela permet d’économiser des coûts énergétiques et de réduire l’achat d’électricité sur le réseau. A

l’avenir, les bâtiments pourront également être utilisés comme réservoirs thermiques afin de stabiliser le réseau électrique ou d’équilibrer les charges. Il s’agit d’une alternative intéressante aux systèmes de batteries (coûteux).

Références: 1 D. Zogg et al: OPTEG – Regelstrategien für die Optimierung des Eigenverbrauchs von Gebäuden, Office fédéral de l’énergie, rapport final février 2016.

2 D. Zogg et al: Innovative Eigenverbrauchsoptimierung für Mehrfamilien-Arealüberbau mit lokaler Strombörse in Möriken-Wildegg, Office fédéral de l’énergie, rapport final novembre 2020.

3 D. Zogg: Optimisation de l’autoconsommation des PAC dans les lotissements grâce à des interfaces modernes, symposium sur les pompes à chaleur, Berthoud, 2021.